Spojení termického solárního systému s fotovoltaickým solárním systémem se zdá být vhodnou kombinací pro ekologické získávání sluneční energie. Vysoká efektivita termického solárního systému posouvá využití fotovoltaických článků do nových hodnot využitelnosti této technologie.

Elektrická energie ze slunce

Zvyšování životní úrovně je cílem takřka všech států po celém světě. Se zvyšováním životní úrovně se však zvyšují i lidské potřeby. To s sebou ovšem nese vyšší energetické náklady na jejich uspokojení. Zvyšuje se tak spotřeba tepelné a především elektrické energie. Trend poslední doby ukazuje, jak spotřeba elektrické energie rok od roku stoupá společně s její cenou a není proto divu, že se na trhu daří produktům, které dokážou snížit fi nanční náklady na energie v domácnosti.

Mezi výrobky, kterým se dlouhodobě daří prosazovat, jsou termické solární systémy. Jejich princip spočívá v přímém předávání tepelné energie ze slunce látce, kterou chceme ohřát. Většinou se tyto systémy používají na ohřev teplé užitkové vody a v případě větších instalovaných ploch je lze využít i na přitápění. Ani tento systém, který pracuje především s tepelnou energií ze slunce, se ale neobejde úplně bez elektrické energie, potřebné pro řízení systému a čerpání ohřívaného média přes solární panely – kolektory.

Elektrická energie potřebná pro chod solárního systému je většinou získávána od lokálního distributora za smluvenou cenu. Tím však rostou náklady na provoz solárního systému, jehož účelem je snížit finanční náklady na spotřebu energií v domácnosti. Jedním z možných řešení jak získat elektrickou energii je použití alternativního domácího zdroje.

Solární kolektor

Princip termického solárního systému je velice jednoduchý. Na obrázku níže je znázorněno nejčastěji používané zapojení dvouokruhového solárního sytému. První okruh je plněn nemrznoucím médiem, které je po ohřátí v solárním kolektoru přivedeno pomocí oběhového čerpadla do bojleru.

Jednou z mála nevýhod termického solárního systému je nutnost přímého slunečního svitu. Malá oblačnost tak může zapříčinit výrazné snížení rychlosti ohřevu média v solárním kolektoru. Při správném nastavení termického solárního systému ale lze s jejich pomocí snížit náklady v rodinném domě na ohřev teplé užitkové vody o 60–70 %.

Schéma jednoduchého dvouokruhového solárního systému s řídící jednotkou napájenou solárním panelem

Fotovoltaický panel

Fotovoltaický panel je zařízení, jehož účelem je přeměňovat pomocí fotovoltaických článků energii fotonů vyzářených sluncem na elektrickou energii. Na současném trhu je nepřeberné množství různých typů fotovoltaických panelů. Liší se svou velikostí, použitými technologiemi, výkonem atd.

Výhodou fotovoltaických článků je, že jsou schopny, na rozdíl od solárních kolektorů, dodávat elektrickou energii i bez přímého slunečního svitu. Mají však jednu velkou nevýhodu a tou je nízká efektivita. Efektivita u komerčně dodávaných panelů se i přes velkou snahu výrobců pohybuje na hranici 0,09. Je proto nutné mít na paměti, že pro dosažení dostatečného výkonu je potřeba instalovat poměrně velké plochy těchto panelů. Výrobci většinou uvádějí, že pro výkon 1 kW je potřeba instalovaná plocha 8 m2.

Při instalaci těchto panelů na střechu rodinného domu, což je nejčastější řešení, může být obtížné dosáhnout takového výkonu, který by pokryl celkovou spotřebu elektrické energie domácnosti. I když je obtížné tímto způsobem uživit kompletní požadavky na elektrickou energii v domácnosti, je tento systém vhodným pomocným prvkem.

Kombinovaný solární systém

Pod pojmem kombinovaný solární systém si lze představit kombinaci termického solárního systému a fotovoltaických solárních článků. Způsobů kombinace těchto dvou systémů je několik.

• Termický solární systém a fotovoltaický systém s dodávkami do sítě
• Termický solární systém a fotovoltaický systém pro domácí spotřebu
• Termický solární systém a fotovoltaický panel jako pomocný prvek

První provedení je nejnáročnější na instalovanou plochu. Počítá s plným pokrytím domácí spotřeby elektrické a tepelné energie a přebytky elektrické energie jsou dodávány do sítě. Toto provedení je také nejnáročnější na pořizovací náklady a instalaci. Při instalaci na již stojící rodinný dům je třeba počítat i se zásahem do elektroinstalace domu a nákupem komponent (střídač napětí), které dovolí dodávat bezpečně elektrickou energii do rozvodné sítě.

Druhé provedení počítá pouze s domácí spotřebou elektrické energie a plným pokrytím požadavků na elektrickou energii termického solárního systému. Lze jej řešit několika způsoby. Fotovoltaický systém je instalován jako primární zdroj elektrické energie a ze sítě je dodávána elektrická energie pouze v případě nedostatku energie z panelů. Další možností je mít oddělené systémy, tedy dvojí elektroinstalaci. Toto zapojení se však v praxi kvůli složitějšímu zapojení příliš nepoužívá. Ačkoliv ve druhém případě odpadá komplikace napojení na veřejnou elektrickou síť, i v tomto případě je třeba osadit poměrně velkou plochu fotovoltaickými panely a pořídit komponenty pro úpravu napětí, abychom mohli s elektřinou zacházet, jak jsme zvyklí. Nejzajímavější kombinace z hlediska náročnosti na pořizovací náklady a instalaci je poslední možnost.

Termický solární systém a fotovoltaický panel jako pomocný prvek

Na rodinný dům není vždy možné nainstalovat větší plochu fotovoltaických panelů pro domácí spotřebu popřípadě pro prodej do rozvodné sítě. Faktorů, které to nemusí dovolit je hned celá řada: nedostatek volného místa na střeše, nedostatek financí na hrazení pořizovacích nákladů fotovoltaického systému, zamítnutí odkupu elektrické energie, příliš nákladné zapojení do rozvodné sítě, složité zapojení domácího rozvodu elektrické energie nebo například averze vůči fotovoltaickým elektrárnám.

V případě, že chceme využívat energii ze slunce formou termického solárního systému a pro osazení větší plochy fotovoltaickými články nám brání některý z výše uvedených faktorů, je malý fotovoltaický panel vhodnou alternativou jak zvýšit efektivitu systému.

Fotovoltaika v praxi

Jakým způsobem lze skombinovat TSS s malou fotovoltaickou elektrárnou? Pro příklad použijme běžný rodinný dům, geografi cky umístěný v České republice na 49. rovnoběžce. Spotřeba teplé užitkové vody v domě je zhruba 82 l/os; pro čtyřčlennou domácnost to tedy představuje zhruba 328 l/den. Náklady na elektrickou energii pro pohon oběhového čerpadla TSS odpovídají cca 132 kWh (výpočet na základě studie Doc. Ing. Matušky, Ph.D. – Program pro bilancování solární soustavy pro přípravu teplé vody, včetně tepelných ztrát rozvodů a zásobníku solární soustavy). Pro výpočet odběru řídící jednotky použijeme hodnoty získané ze standardní řídící jednotky SP-24 od výrobce Sipalite, která je běžně dostupná na našem trhu. Výrobce u této jednotky udává okamžitou spotřebu 3 W, což za rok činí 26 kWh. Dohromady tedy v našem případě spotřebujeme na provoz termického solárního systému přes 150 kWh elektrické energie. Hodnoty platí pro případ nejjednoduššího zapojení s použitím jednoho oběhového čerpadla o výkonu 40 W a jedné řídící jednotky. Instalovanou plochu solárních kolektorů pro naše potřeby nemusíme brát v potaz.

Abychom elektricky uživili tento systém, potřebujeme fotovoltaický panel o dostatečném výkonu. Na trhu je v současné době nepřeberné množství různých panelů s různými výkony. Jako ideální řešení se nabízí použití takového panelu, jehož výstupní výkon je roven součtu příkonů oběhového čerpadla a řídící jednotky. Ve skutečnosti ale lze použít panel o něco slabší. Abychom totiž dosáhli co nejvyšší efektivity, je vhodné mít přídavný akumulátor. Akumulátor bude ukládat elektřinu v době, kdy nebude dostatečný přímý sluneční svit pro ohřátí teplonosného média pro kontinuální přenos tepelné energie a TSS nebude pracovat. Fotovoltaický systém bude ale částečně pracovat i za těchto podmínek a nevyužitou elektrickou energii bude skladovat, pomocí akumulátoru tak lze snížit požadavky na výkon fotovoltaického panelu. Snížení požadovaného výkonu fotovoltaického panelu závisí na celkovém dimenzování systému a kapacitě akumulátoru, ale předpokládá se, že můžeme použít panel s polovičním výkonem než je součet všech odběrů v systému. V našem případě bychom použili panel o výkonu 30 W a akumulátor o kapacitě 33 Ah.

Pokud připočteme cenu za řídící jednotku fotovoltaického systému, celkové náklady na pořízení dosáhnou zhruba 4 500 Kč. Návratnost takovéhoto systému by pak mohla být v horizontu 6 až 7 let v závislosti na růstu cen elektrické energie. Pokud přirovnáme návratnost systému ke standardně instalovaným TSS, která se pohybuje okolo 15 let, zjistíme, že při instalaci obou systémů zároveň můžeme o malé procento zkrátit celkovou dobu návratnosti investice. Zmiňovaná úspora ale není vzhledem k vyšším pořizovacím nákladům TSS příliš významná.

Takto navržený systém má však i další výhody. V případě odstávky elektrické energie se nemusíme obávat poškození solárního systému z důvodů stagnace, jelikož takto postavený systém není na dodávkách závislý. Systém lze samozřejmě dále rozšířit a můžeme jej použít na celkovou vodohospodářskou stavbu rodinného domu, při zapojení na oběhová čerpadla topení, čerpadla pitné vody atd.

Přidání malé fotovoltaické elektrárny do již hotového systému je velice jednoduché. Na obrázku výše je znázorněno propojení fotovoltaického systému s řídící jednotkou 2. Pro přímé použití tohoto systému je ovšem nutné použít komponenty, které pracují se stejnosměrným napětím. V současné chvíli jsou již na trhu dostupná homologovaná oběhová čerpadla, která lze bez problémů využít. Ve většině případů se jedná o čerpadla s elektronicky komutovaným motorem, která mají minimální náběhový proud a jsou vhodná právě pro použití v kombinaci s fotovoltaickým panelem. Podobně jsou na tom i řídcí jednotky, jejichž elektronika standardně pracuje na stejnosměrný proud.

Stand-alone kombinovaný systém

Název Stand-alone se vyskytuje ve spojení s fotovoltaickými systémy poměrně běžně a označují se takto tzv. ostrovní systémy, tedy elektricky soběstačné komplexy bez napojení na rozvodnou síť. V našem případě se jedná o zcela samostatný termický solární systém, jehož součástí je již zabudovaný fotovoltaický článek. Tento systém je vhodný především na chaty a malé obytné budovy bez možnosti dodávek elektrické energie z rozvodné sítě. Předností toho systému je jeho kompaktnost a minimální nároky na instalaci a obsluhu. V současné chvíli takový systém ale žádný výrobce nenabízí.

Řízení kombinovaných solárních systémů v rodinných domech

Pro efektivní využití solární energie je nutné mít kvalitní řídicí jednotku. Moderní termické solární systémy jsou řízeny speciálními řídícími jednotkami k tomu určenými. Na trhu je množství výrobců, kteří se navzájem předhánějí v kvalitě a možnostech svých řídících jednotek.

Na obrázku níže, jsou přerušovanými čarami znázorněny základní datové a elektrické linky mezi řídící jednotkou a jednotlivými komponentami termického solárního systému. Aby řídící jednotka mohla správně a efektivně pracovat je nutno zajistit dostatek vstupních dat pro vyhodnocení. V našem případě dostává řídící jednotka informace o teplotách ze solárního kolektoru a zásobníku na TUV. Z těchto hodnot dokáže řídící jednotka určit, zda je nutné zapnout čerpadlo a přesunout zahřáté médium z kolektorů do zásobníku. Tato situace se ovšem týká pouze nejjednoduššího zapojení. V rodinných je totiž běžné postupné rozšiřování a propojování jednotlivých tepelných systémů. Na to je potřeba při pořizování řídící jednotky také myslet, jelikož malé řídící jednotky mají omezený počet datových a logických vstupů a výstupů.

Zajímavé a v praxi velmi používané jsou kvalitnější řídící jednotky s přístupem přes protokol http, kdy je možné sledovat či ovládat systém přes internet. Tyto řídící jednotky mají také možnosti rozšířeného nastavení funkcí systémů a dovolují uživateli jednoduše zkoušet různá nastavení pro zvýšení efektivity celého systému. V konečném důsledku je možné pořídit řídící jednotky schopné organizovat veškeré nároky na tepelnou energii v domě od ohřívání bazénu po nastavení teploty v ložnici.

Po připojení fotovoltaického systému se pro uživatele nic nemění. Systém má vlastní řízení zodpovědné za nabíjení a vybíjení akumulátoru a distribuci elektrické energie. Jediným problémem zůstává řídící jednotka. Tuzemský trh má pouze omezené možnosti týkající se řídích jednotek na stejnosměrné napětí. Jedná se především o drahé systémy dodávané na míru, nebo velmi jednoduché řídící jednotky na baterie, které jsou pro většinu uživatelů nevyhovující. Jedním z možných řešení přestavět si řídící jednotku na stejnosměrný zdroj svépomocí, čemuž většinou vnitřní konstrukce většiny řídících jednotek vyhovuje. Další možností je obrátit se na dodavatelskou fi rmu, která tuto přestavbu může zprostředkovat.

Ing. František Mikšík a Ing. Josef Kotlík, CSc. Vysoké učení technické v Brně